Para-raios: Evolução, Materiais e Proteção contra Raios Explicados
Para-raios e sua Evolução
Um para-raios está sempre conectado em paralelo com o equipamento elétrico que protege. Não interfere na operação normal do equipamento sob tensão de sistema. No entanto, quando uma sobretensão perigosa aparece no equipamento, o para-raios conduz primeiro, desviando a sobretensão de forma segura para o solo.
A forma mais antiga e simples de para-raios consistia em duas hastes metálicas separadas por um intervalo e conectadas em paralelo ao equipamento elétrico. Quando a tensão através deste intervalo excedia um certo limite, o ar (o intervalo) se rompia, protegendo o equipamento. Este tipo de para-raios é conhecido como "intervalo de expulsão" ou "intervalo de proteção".
O fenômeno do raio é semelhante: as nuvens de trovão e a terra atuam como dois condutores (eletrodos). Quando a tensão entre eles se torna muito alta, o ar entre eles se rompe, resultando em um raio.
No entanto, há uma diferença crucial. Os intervalos de proteção estão conectados diretamente nas linhas de energia. Uma vez que uma sobretensão perigosa cause o intervalo a se romper (ou seja, o ar entre as hastes se ioniza), a usina de energia ou subestação não tem conhecimento deste evento - ou não pode reagir rapidamente o suficiente. Consequentemente, continua fornecendo corrente para o intervalo agora condutor. Como o intervalo fornece um caminho para o solo, esta corrente flui continuamente, causando um curto-circuito no sistema de energia. Assim, embora os intervalos de proteção sejam fáceis de usar, sua operação cria um arco sustentado através do intervalo, levando a uma condição de curto-circuito.
Como o arco através do intervalo de proteção poderia ser extinto rapidamente após a operação? Isso levou ao desenvolvimento do segundo geração de para-raios - o para-raios de expulsão (ou tubular). Este design confina inicialmente o arco dentro de um tubo e, em seguida, emprega métodos para extingui-lo.
No entanto, os para-raios de expulsão ainda têm uma desvantagem: independentemente de sua capacidade de extinção de arco, ainda desviam a corrente do sistema de energia diretamente para o solo, causando um defeito momentâneo à terra (curto-circuito).
Uma solução ideal seria um dispositivo que bloqueasse a corrente ou permitisse apenas um vazamento mínimo sob tensão normal, evitando assim curtos-circuitos, mas que conduzisse rapidamente grandes correntes de surto (como raios) para o solo quando ocorressem sobretensões perigosas. Em termos simples, tal dispositivo agiria como um "interruptor inteligente", sabendo exatamente quando abrir e fechar. Nos para-raios, este "interruptor inteligente" foi inicialmente realizado usando um material chamado carbeto de silício (SiC). Para-raios feitos deste material são conhecidos como para-raios de válvula, pois funcionam como válvulas elétricas.
É importante notar que esta "válvula" é um componente elétrico, não uma válvula mecânica como uma torneira ou válvula de tubulação. Válvulas mecânicas são muito lentas para responder a raios, que atingem em microssegundos. Em vez disso, é necessário um "válvula" elétrica feita de um resistor não-linear. O carbeto de silício foi o primeiro material de resistor não-linear descoberto para uso em aplicações de alta tensão.
A tecnologia evolui continuamente. Um segundo material de resistor não-linear foi posteriormente descoberto para para-raios: óxido de zinco (ZnO). Ele realiza uma função semelhante ao carbeto de silício, mas exibe características de "válvula" superiores - profissionalmente descritas como ter melhor não-linearidade.
O que é não-linearidade? Figurativamente, significa fazer o oposto: ser pequeno quando deveria ser grande, e grande quando deveria ser pequeno - diferente dos componentes lineares, que escalonam proporcionalmente.
Nos para-raios, a não-linearidade se manifesta da seguinte maneira: quando a corrente é alta (por exemplo, durante um surto de raio), a resistência se torna muito baixa, e quanto menor a resistência, melhor a não-linearidade. Quando a corrente é baixa (após o surto de raio ter passado e o sistema retornar à tensão de operação normal), a resistência se torna muito alta, e quanto maior a resistência, melhor a não-linearidade.
O carbeto de silício exibe não-linearidade, mas não é ideal. Sob tensão de operação normal, sua resistência não é suficientemente alta, permitindo que uma pequena corrente de fuga flua através do para-raios - como uma válvula que não fecha completamente, resultando em um "pinguelo" contínuo de corrente.
Este comportamento é inerente ao material, e esforços para eliminar este vazamento através de melhorias no material foram em grande parte infrutíferos. Consequentemente, ao usar carbeto de silício em para-raios, soluções estruturais são empregadas: o para-raios é inicialmente isolado da linha e conectado apenas durante um surto. Esta tarefa é realizada usando um intervalo de ar em série. Portanto, para-raios de válvula quase sempre requerem um intervalo. Em contraste, as válvulas de óxido de zinco "fecham firmemente" sob tensão de operação normal, portanto, não requerem um intervalo em série.
À medida que a tecnologia de fabricação de óxido de zinco melhorou, as limitações iniciais de capacidade de "fechamento" foram superadas. No entanto, devido à prevalência histórica de designs com intervalos, alguns para-raios de óxido de zinco ainda incorporam intervalos. No entanto, para-raios de óxido de zinco sem intervalos constituem a maioria esmagadora.
Como o óxido de zinco é um óxido metálico, esses para-raios também são conhecidos como Para-raios de Óxido Metálico (MOSA).
Proteção contra Raios em Sistemas de Energia
Do ponto de vista dos dispositivos de proteção contra raios, existem três tipos principais: para-raios (terminais aéreos), cabos de guarda (fios de proteção) e para-raios. Os dois primeiros são estruturalmente simples - basicamente apenas hastes e fios - enquanto o último é mais complexo devido à dependência de resistores não-lineares que atuam como "interruptores inteligentes".
Do ponto de vista dos objetos protegidos, a proteção contra raios pode ser categorizada em: proteção de linhas aéreas, proteção de subestações e proteção de motores.
Linhas aéreas cobrem vastas distâncias, expostas em áreas abertas. Para minimizar o impacto na vida terrestre e nos ecossistemas, elas são erguidas a alturas significativas. Como diz o ditado, "a árvore mais alta pega o vento", tornando-as alvos primários para raios. As estatísticas mostram que a maioria das falhas na rede de energia é causada por raios que atingem as linhas. Portanto, as linhas aéreas devem ser protegidas. No entanto, devido ao seu comprimento, a proteção absoluta é impraticável e economicamente inviável. Assim, a proteção de linhas é relativa: alguns raios são permitidos para atingir a linha e causar flashovers. Essa proteção é principalmente alcançada usando cabos de guarda.
Em contraste, as subestações são muito mais críticas. Elas servem como hubs do sistema de energia, abrigando equipamentos concentrados e pessoal. Consequentemente, seus requisitos de proteção contra raios são extremamente altos.
Os raios podem chegar a uma subestação por dois caminhos principais: descargas diretas, mitigadas por para-raios (ou às vezes cabos de guarda); e surtos propagados de raios que atingem as linhas de transmissão, que são principalmente tratados por para-raios.
A proteção contra raios para motores (incluindo geradores, condensadores síncronos, conversores de frequência e motores elétricos) é tão crítica quanto a proteção de subestações. Geradores são o "coração" do sistema de energia, e grandes motores são impulsionadores industriais vitais. Danos por raios a esses componentes resultam em perdas significativas. No entanto, a proteção de motores é mais desafiadora do que a proteção de subestações. Motores são máquinas rotativas, então sua isolamento não pode ser excessivamente espesso e deve ser sólido (diferente do isolamento líquido usado em transformadores). O isolamento sólido é propenso ao envelhecimento, necessitando não apenas de proteção primária com para-raios, mas também de medidas auxiliares adicionais de proteção.
Para-raios de Óxido de Zinco com Caixa Composta
Um para-raios é um dispositivo elétrico com dois eletrodos - um geralmente aterrado e o outro conectado a alta tensão - separados por um material isolante, conhecido profissionalmente como isolador.
Como a maioria dos equipamentos do sistema de energia está exposta à atmosfera, as superfícies isolantes estão em contato direto com o ambiente. Esta parte do isolamento é denominada isolamento externo ou isolamento externo.
O isolamento externo está constantemente exposto a luz solar, chuva, vento, neve, névoa e orvalho. Portanto, materiais de isolamento externo qualificados devem não apenas possuir excelentes propriedades elétricas e mecânicas, mas também demonstrar excelente resistência climática e uma vida útil de 40-50 anos. Atualmente, a porcelana é o material de isolamento externo mais amplamente utilizado em engenharia, com vidro temperado também sendo usado em aplicações de linha.
Porcelana e vidro são materiais inorgânicos. Além de suas excelentes propriedades elétricas e mecânicas, sua principal vantagem é a estabilidade ambiental - excepcional resistência às condições climáticas - permitindo que dominem o isolamento externo do sistema de energia por quase um século.
No entanto, compartilham uma fraqueza comum: suas superfícies são hidrófilas. Isso permite que camadas de poluição na superfície do isolador absorvam umidade. Quando a poluição se combina com a umidade, permite a passagem de corrente, potencialmente causando um flashover na superfície do isolador sob tensão de operação normal. Isso é comumente conhecido como flashover de poluição, mais especificamente, descarga superficial ao longo de um isolador poluído e úmido.
Nas últimas décadas, o silicone tem sido amplamente adotado em todo o mundo para substituir materiais tradicionais em isoladores. O silicone é um material orgânico que exibe forte hidrofobicidade, aumentando significativamente a tensão de flashover de poluição do isolamento externo.
Isoladores feitos de materiais orgânicos são frequentemente chamados de isoladores poliméricos (já que os materiais orgânicos são polímeros), isoladores não cerâmicos, isoladores compostos (pois o isolamento externo é sintético) ou até mesmo isoladores plásticos no exterior.
Na China, eles eram anteriormente conhecidos como isoladores compostos ou isoladores de silicone. Agora, são uniformemente denominados isoladores orgânicos compostos (já que os materiais orgânicos são compostos, e esses isoladores são tipicamente feitos de uma composição de silicone e uma haste de fibra de vidro com resina epóxi), comumente abreviados como isoladores compostos.
Portanto, um para-raios de óxido de zinco com caixa composta usa um material orgânico - especificamente, silicone - como isolamento externo para um para-raios de óxido de zinco.
